資源簡介

(共61張PPT)
第五章　傳感器
2.常見傳感器的工作原理
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核心素養(yǎng)：1.感受傳感器，知道傳感器是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置. 2. 了解傳感器的基本組成部分和應(yīng)用的一般模式. 3.利用電容器的結(jié)構(gòu)改變電容的性 質(zhì)，設(shè)計電容式位移傳感器.
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研習(xí)任務(wù)一　初識傳感器
合作　討論
話筒是一種能夠?qū)⒙曇粜盘栟D(zhuǎn)換為電信號的傳感器.圖乙是電容式話筒的組成結(jié)構(gòu)示 意圖，話筒的振動膜片涂有薄薄的金屬層，膜后相距幾十微米有一個金屬片（固定電 極），它們構(gòu)成電容器的兩個極板.電容式話筒利用電容器的電容與極板間距離的關(guān) 系來工作.你能根據(jù)它的工作過程說說各組成元件的作用嗎？
甲 乙
提示：振動膜：作為敏感元件，感受聲音信號的變化.
固定電極：與振動膜組成的電容器是轉(zhuǎn)換元件，聲波使振動膜發(fā)生振動，將聲音信號 的強弱轉(zhuǎn)換成電容器的電容變化.
電阻R：與電容器、電源組成轉(zhuǎn)換電路，由于電容器的電容不斷發(fā)生變化，電容器產(chǎn) 生充、放電電流，加載在電阻R兩端的電壓也隨之變化.將聲音信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路輸出 為便于測量和處理的電壓信號.
教材　認知
1. 傳感器：把被測的非電信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電信號的器件或裝置.
2. 傳感器的結(jié)構(gòu)
通常傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，有時也將信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為 傳感器的組成部分，如圖所示.
①彈性膜片：應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片就是敏感元件，它的作用是將壓力轉(zhuǎn)變成 膜片的形變.
②光敏電阻：通常用硫化鎘或硒化鎘等半導(dǎo)體材料制成，隨著光照的增強，載流子增 多，導(dǎo)電性變好，因此光敏電阻能夠把光照強弱這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電阻這個電學(xué)量.
③干簧管：干簧管是一種能夠感知磁場的敏感元件，由密封在玻璃管內(nèi)的兩個軟磁體 簧片構(gòu)成，兩個簧片在磁場中被磁化為異名磁極而相互吸引，所以串聯(lián)在電路中的干 簧管就成了一個由磁場控制的開關(guān).
（1）敏感元件：常見的敏感元件包括力敏元件、光敏元件、熱敏元件、磁敏元件、 氣敏元件等，它們能直接感受諸如壓力、光照、溫度、磁場、氣體等非電信息，并將 這些信息變換成易于測量的物理量.
（2）轉(zhuǎn)換元件：通常不直接感受被測量，而是將敏感元件輸出的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué) 量，又稱傳感元件.
（3）信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路：由于轉(zhuǎn)換元件輸出的信號一般很弱，容易混有干擾信號， 因此需要信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路對其進行放大、消除干擾，使轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換 成便于顯示、記錄、處理和控制的電學(xué)量.
3. 傳感器的分類
按感知外界信息及變換效應(yīng)的不同，可分為以下三類：
（1）物理傳感器：利用了力、熱、光、電磁和聲等物理效應(yīng).
（2）化學(xué)傳感器：利用了化學(xué)反應(yīng)的原理檢測物質(zhì)的種類和濃度.
（3）生物傳感器：是利用酶、抗體和激素等分子識別功能進行工作的傳感器.
研習(xí)　經(jīng)典
A. 所有傳感器都是由半導(dǎo)體材料做成的
B. 金屬材料也可以制成傳感器
C. 干簧管是一種能夠感知電場的傳感器
D. 傳感器一定是通過感知電壓的變化來傳遞信號的
B
解析：金屬材料和半導(dǎo)體材料都可以制成傳感器，傳感器是把感受到的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換 為易處理和控制的電壓、電流或電路的通斷來傳遞信號的.干簧管是一種能感知磁場 的傳感器.故選B.
名師點評
　　此類題目屬于概念性的題目，一定要熟讀課本，知道什么是傳感器，并且知道各 種傳感器的工作原理.除此之外，物理離不了生活，生活中多觀察、多留意也會增強 對物理規(guī)律的認識和理解.
對應(yīng)　訓(xùn)練
A. 光傳感器和位移傳感器
B. 磁傳感器和溫度傳感器
C. 磁傳感器和聲傳感器
D. 壓力傳感器和加速度傳感器
解析：當(dāng)人將手機靠近耳朵附近接聽電話時，改變了位移，并且耳朵可能擋住了光 線，所以可能用到的傳感器為光傳感器和位移傳感器，A正確；當(dāng)人將手機靠近耳朵 附近接聽電話時，沒有磁場的變化，也沒有產(chǎn)生壓力的變化，B、C、D錯誤.
A
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研習(xí)任務(wù)二　溫度傳感器
教材　認知
溫度傳感器：是一種將 變化轉(zhuǎn)換成電學(xué)量變化的裝置，使用的感溫敏感元件 主要有熱敏電阻、熱電阻、熱雙金屬片和熱電偶等.
（1）熱敏電阻溫度傳感器：熱敏電阻由半導(dǎo)體材料制成，其電阻值隨溫度的變化非 常 .
①如圖（a）所示，這類熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，稱為負溫度系數(shù)熱敏電 阻，用NTC表示.
②另一類熱敏電阻的阻值隨溫度升高而增大，稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻，用PTC 表示.
溫度　
明顯　
（2）熱電阻溫度傳感器：用 制作的感溫電阻稱為熱電阻，電阻R與溫度t 的關(guān)系如圖（b）所示.
金屬絲　
（3）熱雙金屬片溫度傳感器：將兩種 相差較大的不同金屬片焊接或軋 制成一體后，當(dāng)溫度升高時，由于兩邊金屬片膨脹程度不同，可用來控制電路的通 斷.許多冰箱壓縮機就是用雙金屬熱保護器進行保護的，如圖（c）所示.
膨脹系數(shù)　
研習(xí)　經(jīng)典
A. 電容器C的帶電荷量增大
B. 理想電壓表的示數(shù)增大
C. 電容器C兩板間的電場強度減小
D. R1消耗的功率增大
AB
對應(yīng)　訓(xùn)練
A. 變壓器輸入與輸出功率之比為3∶1
B. 變壓器副線圈中電流的頻率為50 Hz
C. 當(dāng)RT處溫度升高時，電壓表示數(shù)不變
D. 當(dāng)RT處溫度升高時，電流表示數(shù)減小
BC
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研習(xí)任務(wù)三　光傳感器
教材　認知
有些金屬或半導(dǎo)體材料，在電路中受到 時，可以產(chǎn)生電流或電壓（光照越 強，電阻越小），實現(xiàn)光信號向電信號的轉(zhuǎn)化，用這種材料做敏感元件，便可制成光 傳感器.
光照　
AB
研習(xí)　經(jīng)典
A. 電源的效率變大
B. A燈和B燈都變亮
C. R0兩端電壓變大
D. 電源內(nèi)部發(fā)熱功率不變
A. 光線越弱，電路中的電流越小，繼電器越容易吸引銜鐵
B. 為了使在更暗的光線下才亮燈，可以減小滑動變阻器的阻值
C. 為節(jié)約能源，減少亮燈時間，可以減小繼電器中線圈的匝數(shù)
D. 只有電路中產(chǎn)生變化的電流，繼電器才能產(chǎn)生磁場吸引銜鐵
B
對應(yīng)　訓(xùn)練
解析：光線越弱，光敏電阻R的阻值越大，電路中的電流越小，繼電器磁性越弱，越 不容易吸引銜鐵，故A錯誤；照度值變小，光敏電阻值變大，電磁繼電器吸合電流不 變，所以需把滑動變阻器變小，故B正確；為節(jié)約能源，減少亮燈時間，則需在光線 較弱時銜鐵仍可被吸引，光線越弱，光敏電阻R的阻值越大，電路中的電流越小，繼 電器磁性越弱，若保證電磁繼電器的磁性仍可吸引銜鐵，則需增大繼電器中線圈的匝 數(shù)，故C錯誤；繼電器產(chǎn)生磁場吸引銜鐵利用的電流的磁效應(yīng)，無需變化的電流，故 D錯誤.
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研習(xí)任務(wù)四　力傳感器
教材　認知
1. 定義：是一種把 轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的裝置.
2. 應(yīng)用實例：常用的力傳感器是由鋁合金梁和應(yīng)變片組成的應(yīng)變式力傳感器，其工 作原理如圖所示，在梁的自由端施加向下的壓力時，梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，上應(yīng) 變片的電阻 ；下表面壓縮，下應(yīng)變片的電阻 .使應(yīng)變片中通過恒定 的電流，這時上、下應(yīng)變片的電壓產(chǎn)生差值，壓力越 ，電壓差值越大；如果力 的方向向上，則上、下應(yīng)變片的電阻變化正好相反，電壓差值為負.
力學(xué)量　
變大　
變小　
大　
研習(xí)　經(jīng)典
C
A. 0到t1時間內(nèi)，升降機一定靜止
B. t1到t2時間內(nèi)，升降機可能做勻加速直線運動
C. t1到t2時間內(nèi)，升降機運動時的加速度在變化
D. t2到t3時間內(nèi)，升降機可能向下勻速運動
解析：從0～t1時間內(nèi)，電流不變，根據(jù)閉合電路歐姆定律可知電路中的總阻值不變， 升降機可能靜止也可能勻速運動，故A錯誤；t1～t2時間內(nèi)，電流增大，則電阻減小， 因為壓敏電阻的阻值隨所受壓力的增大而減小，所以壓力增大，由牛頓第三定律得物 塊受到的支持力逐漸增大，根據(jù)牛頓第二定律有FN－mg＝ma，合力向上，加速度向 上且逐漸增大，故B錯誤，C正確；t2～t3時間內(nèi)電流不變，電阻不變，壓力不變，電 流大于靜止時的電流，壓力大于靜止時的壓力，物塊受重力和支持力，根據(jù)牛頓第二 定律有FN'－mg＝ma'，合力向上，加速度向上且大小不變，所以t2～t3時間內(nèi)升降機 勻加速上升或勻減速下降，故D錯誤.
對應(yīng)　訓(xùn)練
A. R3阻值為45 kΩ
B. 裝料時，R0的阻值逐漸變大，Uba的值逐漸變小
C. 拉力越大應(yīng)變片電阻阻值也變大，Uba傳感器的示數(shù)也變大
D. 應(yīng)變片作用是把物體形變這個力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量
答案：C
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研習(xí)任務(wù)五　電容式傳感器
教材　認知
電容式傳感器：電容器的電容C取決于極板的正對面積S、極板間距d以及極板間的電 介質(zhì)這三個因素.如果某個物理量（如角度θ、位移x、深度h等）的變化引起上述某個 因素的變化，從而引起電容的變化，通過電容的變化就可以確定上述物理量的變化， 那么這種電容器就被稱為電容式傳感器.
A. 若電容器的電容變大，物體向－x方向運動
B. 若電容器的電容變大，物體向＋x方向運動
C. 電介質(zhì)的相對介電常數(shù)越大，傳感器靈敏度越高
D. 電容器的板間電壓越大，傳感器靈敏度越高
AC
研習(xí)　經(jīng)典
對應(yīng)　訓(xùn)練
A. 傳感器是通過電容的變化確定液面高度的變化
B. 傳感器是通過電容的變化確定電介質(zhì)厚度的變化
C. 液面升高，則電容器的介電常數(shù)變大
D. 液面升高，則電容器的正對面積變小
解析：由傳感器原理圖可知，液體高度變化，引起電容器的正對
面積變化，從而引起電容的變化，A項正確，B項錯誤；電容器
的介電常數(shù)由材料決定，液面升高，電容器的介電常數(shù)不變，C項錯誤；液面升高，電容器的正對面積變大，D項錯誤.
A
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課時作業(yè)（十七）
[基礎(chǔ)訓(xùn)練]
A. 電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它將壓力大小轉(zhuǎn)化為可變電阻，進而轉(zhuǎn)化 為電壓信號
B. 話筒是一種常用的聲傳感器，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲信號
C. 電熨斗能自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片，這種雙金屬片的作用是控制電 路的通斷
D. 光敏電阻能夠把光照強度這個光學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻這個電學(xué)量
B
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解析：電子秤所使用的測力裝置是力傳感器，它是把力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，故A正 確；話筒是一種常用的聲波傳感器，其作用是聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，故B錯誤；電熨 斗能夠自動控制溫度的原因是它裝有雙金屬片溫度傳感器，這種傳感器的作用是控制 電路的通斷，故C正確；光敏電阻的工作原理實際上是傳感器，把光信號轉(zhuǎn)換成電信 號，故D正確.故選B.
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A. 位移傳感器 B. 速度傳感器
C. 時間傳感器 D. 光電門傳感器
解析：DIS由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組成.圖中①所示的器材為光電門傳感器， 選項D正確.
D
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A. 當(dāng)拉環(huán)不受力時，閉合開關(guān)后電流表的讀數(shù)為0
B. 當(dāng)拉力為400 N時，電流表指針指在0.3 A處
C. 當(dāng)拉力為400 N時，電流表指針指在0.5 A處
D. 該健身器材能測量力的范圍是0～400 N
B
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A. U越大，表示c越大，c與U成正比
B. U越大，表示c越大，但是c與U不成正比
C. U越大，表示c越小，c與U成反比
D. U越大，表示c越小，但是c與U不成反比
B
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A. 從b向a，A、B、C構(gòu)成的電容器放電
B. 從a向b，A、B、C構(gòu)成的電容器放電
C. 從b向a，A、B、C構(gòu)成的電容器充電
D. 從a向b，A、B、C構(gòu)成的電容器充電
D
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甲 乙 丙
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A. 為提高控制的靈敏度，永久磁鐵的上、下端分別為N、S極
B. 按圖甲順時針轉(zhuǎn)動電動自行車的右把手，車速將變快
C. 圖乙中從霍爾器件的左、右側(cè)面輸出控制車速的霍爾電壓
D. 若霍爾器件的上、下面之間所加電壓正負極性對調(diào)，將影響車速控制
答案：B
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解析：由于在霍爾器件的上、下面之間加一定的電壓，形成電流，當(dāng)永久磁鐵的上、 下端分別為N、S極時，磁場方向與電子的移動方向平行，則電子不受洛倫茲力作 用，霍爾器件不能輸出控制車速的霍爾電壓，故A錯誤；當(dāng)按圖甲順時針轉(zhuǎn)動電動自 行車的右把手，霍爾器件周圍的磁場增強，則霍爾器件輸出控制車速的霍爾電壓增 大，因此車速將變快，故B正確；根據(jù)題意，結(jié)合圖乙的示意圖，永久磁鐵的N、S極 可能在左、右側(cè)面或在前、后表面，因此從霍爾器件輸出控制車速的霍爾電壓不一定 在霍爾器件的左、右側(cè)面，也可能在前、后面，故C錯誤；當(dāng)霍爾器件的上、下面之 間所加電壓正負極性對調(diào)，從霍爾器件輸出控制車速的霍爾電壓正負號相反，由圖丙 可知，不會影響車速控制，故D錯誤.
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A. 脂肪測量儀的工作原理是通過人體電阻不同來判斷人體脂肪所占的比例
B. 脂肪測量儀的工作原理是通過人體體重不同來判斷人體脂肪所占的比例
C. 激烈運動之后，脂肪測量儀顯示人體脂肪所占比例的測量數(shù)據(jù)會不準(zhǔn)確
D. 人在沐浴之后，脂肪測量儀顯示人體脂肪所占比例的測量數(shù)據(jù)會不準(zhǔn)確
B
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解析：利用脂肪幾乎不含水分，其導(dǎo)電性和其他成分不同，可以用測量人體電阻的辦 法來計算人體脂肪率，B錯誤，A正確；激烈運動之后和人在沐浴之后，人體內(nèi)含水 量發(fā)生變化，人體脂肪所占比例發(fā)生變化，即人體的電阻大小發(fā)生變化，所以測量數(shù) 據(jù)會不準(zhǔn)確，C、D正確.故選B.
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[能力提升]
A. 圖線1是熱敏電阻的圖線，它是用金屬材料制成的
B. 圖線2是熱敏電阻的圖線，它是用半導(dǎo)體材料制成的
C. 圖線1對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好、測溫范圍大、靈敏度高
D. 圖線2對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差、測溫范圍小、靈敏度高
解析：金屬熱電阻的阻值隨溫度升高而增大，半導(dǎo)體材料的熱敏電阻的阻值隨溫度升 高而減小，A項錯誤，B項正確；圖線1對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性好，但靈敏度低，圖線 2對應(yīng)的材料化學(xué)穩(wěn)定性差，但靈敏度高，C項錯誤，D項正確.
BD
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霍爾效應(yīng)可解釋如下：外部磁場的洛倫茲力使運動的電子聚集在導(dǎo)體板的一側(cè)，在導(dǎo) 體板的另一側(cè)出現(xiàn)多余的正電荷，從而形成橫向電場，橫向電場對電子施加與洛倫茲 力方向相反的靜電力，當(dāng)靜電力與洛倫茲力達到平衡時，導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間就會形 成穩(wěn)定的電勢差.
設(shè)電流I是電子定向運動形成的，電子的平均定向速度為v，電荷量為e，回答下 列問題：
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（1）達到穩(wěn)定的狀態(tài)時，導(dǎo)體板上側(cè)面A的電勢 （填“高于”“低于”或 “等于”）下側(cè)面A'的電勢.
解析：（1）首先分析電流通過導(dǎo)體板時的微觀物理過 程，由于導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為B的勻強 磁場中，電流是電子的定向運動形成的，電流方向從左 到右，根據(jù)左手定則可判斷電子受到的洛倫茲力的方向 向上，電子向A板聚集，A板出現(xiàn)多余的負電荷，下側(cè)面 感應(yīng)出正電荷，所以A板電勢低于下側(cè)面A'板電勢.
低于　
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（2）電子所受的洛倫茲力的大小為 .
解析：（2）由洛倫茲力公式可得電子所受洛倫茲力的大 小為F1＝evB.
（3）當(dāng)導(dǎo)體板上下兩側(cè)之間的電勢差為U時，電子所受靜電力的大小為 .
evB　

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10. 小明同學(xué)想用一只半導(dǎo)體熱敏電阻制作一支能測量水溫的溫度計，通過查閱資 料，他獲得該熱敏電阻的R－t特性曲線如圖甲所示.他要求所制的溫度計的測量范圍 是0～100 ℃，且在水溫是100 ℃時，電壓表指針偏轉(zhuǎn)達到最大位置.根據(jù)特性曲線， 他設(shè)計的水溫溫度計的電路如圖乙所示，圖中的定值電阻R0＝100 Ω，電壓表的量程 是0～3 V. 電源電壓穩(wěn)定.
　
甲　 乙
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（1）根據(jù)特性曲線，該熱敏電阻在0 ℃、55 ℃、100 ℃時，阻值分別為多大？
答案：（1）500 Ω　150 Ω　100 Ω　
解析：（1）由圖甲所示特性曲線可知，該熱敏電阻在0 ℃、55 ℃、100 ℃時，阻值 分別為500 Ω、150 Ω和100 Ω.
甲　
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（2）通過計算說明，當(dāng)水溫是0 ℃時、100 ℃時，電壓表的指針分別指示是多少？
答案：（2）1 V　3 V
甲　
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